论文总字数：26659字

摘 要

大型旋转机械轴系是多支承的大型转子，属于静不定结构。只有在设计时保证各轴承的初始安装高度合理，才能使汽轮发电机组的轴系在热态下保持合理的状态，该初始安装高度就是轴系的标高。标高不合理不仅会导致轴异常的弯曲变形，更会使载荷分配不合理，造成轴承的异常。因此明确轴承标高变化对载荷分布的影响就十分重要。

本文采用有限元法，依托ANSYS MECHANICAL APDL 15.0，,使用BEAM188梁单元表征汽轮发电机转子轴系，以约束模拟轴承，建立汽轮发电机组轴系有限元模型。以上汽西门子某1000MW汽轮发电机组为对象，分别分析了不同初始轴承安装高度下轴承标高变化对载荷分布的影响，分析了同一轴系中单支称和双支撑结构标高变化对载荷分配的影响,提出载荷对标高变化灵敏度概念,分析不同轴承安装高度下各轴段最大变形量。

关键词：轴承标高，载荷分布，有限元

Abstract

The shaft system of large rotating machinery is a large multi-supported rotor, which belongs to the static and unsteady structure. Only when the initial installation height of each bearing is ensured in the design can the shaft system of the steam turbine generator set be kept in a reasonable state under the hot state. The initial installation height is the standard height of the shaft system. Improper elevation will not only lead to abnormal bending deformation of shaft, but also lead to unreasonable load distribution and abnormal bearing. Therefore, it is very important to clarify the influence of bearing height on load distribution.

This paper adopts finite element method and relies on ANSYS MECHANICAL APDL

15.0. The BEAM188 beam element was used to characterize the rotor shaft system of the steam turbine generator unit. The finite element model of the shaft system of the steam turbine generator unit was established by simulating the bearing with displacement and rotation constraints. Taking a 1000 mw turbo-generator set Saic Siemens as object, analyzes the different initial bearing installation height of bearing elevation changes on the influence of load distribution, analyzes the single said in the same axis and double support structure elevation changes on the influence of load distribution. The concept of variable sensitivity of load to elevation is presented. The maximum deformation of each shaft section under different bearing mounting heights is analyzed.

KEY WORDS: Bearing elevation, load distribution, finite element

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 2

1.1 研究背景和意义 2

1.2 影响标高的因素及后果 2

1.2.1 导致标高改变的因素 2

1.2.2 标高改变的后果 3

1.3 国内外研究现状 3

1.4 本文主要研究内容 4

第二章 基于有限元的结构静力学分析 5

2.1 有限元法应用 5

2.1.1 轴系结构离散化 5

2.1.2 单元节点矩阵 6

2.1.3 单元的刚度矩阵 7

2.1.4 总体刚度矩阵的建立 8

第三章 轴系建模 9

3.1 轴系建模 9

3.1.1 轴系及轴瓦的简化 9

3.1.2 具体建模过程 10

3.2 网格划分密度实验 13

第四章 标高变化对载荷分布分析 16

4.1 轴承标高改变对载荷分配的影响 16

4.1.1 冷态标高相等时的分析 16

4.1.2 冷态标高按找中值情况分析 21

4.1.3 原因及误差分析 25

4.2 两种安装方式转子位移量分析 25

4.2.1 各轴承标高相同情况分析 26

4.2.2 轴承按给定标高安装情况分析 28

4.2.3 两种情况对比分析 30

第五章 总结与展望 31

5.1 总结 31

5.2 展望 32

致 谢 33

参考文献 34

绪论

研究背景和意义

世界不断发展，科技日新月异，支撑着世界不断运转的正是能源。电力资源在社会进步，经济发展和人类生活中更是扮演者不可或缺的角色。随着时代的进步，科技的发展，能源产业越来越趋于多元化，各种新能源层出不穷，如地热能，潮汐能，太阳能，都已经得到了较好的开发和利用，但受限于目前的科技水平和能源结构，火力发电依旧是我国电力产业的中坚力量。火力发电厂中的汽轮发电机组正是火电厂主要设备之一，其性能的稳定，安全，经济对电厂乃至社会的发展的意义不言而喻。而其中振动的幅度和相位是表征汽轮发电机组轴系故障的最重要指标，同时也是引起旋转机械设备故障的主要因素之一。

振动的产生对于旋转机械或任何转动的部件来说都是极有可能或者必然产生的。只要振幅的大小不超过许可值，则属于正常情况。但我们也不能忽视振动，相反应该更加重视。不同部件振幅规定大小不同，不能以偏概全，任何不符常规的振动都有可能导致设备的损坏乃至人员的伤亡。如发电机转子热变形，汽机风机叶片脱落，转子中心孔进油，转动部分和静止部分摩擦等等都会导致轴系的不正常振动，影响机组的正常工作，造成巨大的经济损失^[1]。振动问题出现的时机往往纷繁复杂，由于汽轮发电机组轴系十分长，各轴段都由自己的临界转速，在机组升速过程中，当转速达到各轴段的临界转速时都会造成振幅大而短暂的上升；当机组升速到额定转速后通常振动达到一个最大值，当机组带负荷后，振动情况又会发生改变。因此汽轮发电机组的振动情况在时间，空间上都非常复杂，对振动问题的诊断和处理就显得十分困难并相当重要。

理论上有两种主要的原因导致了汽轮发电机组轴系的振动，分别是：自激振动和强迫振动^[2]。强迫振动在工程上主要表现为地基等支撑系统刚度过小引起的振动，联轴器连接问题引起的振动，轴系中旋转部分和静止部分相互接触导致振动，转子不均匀受热导致变形引起的振动，以及发电机特殊振动和部件松动引发的振动；自激振动主要体现在旋转机械油膜振荡引起的振动故障，气流激振故障。而轴系不对中是工程中造成上述许多振动情况的主要原因，据统计占总振动故障的65％左右^[3]。

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